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나노 기술로 만드는 미래 자동차

03

04 나노 기술로 만드는 미래 자동차

09 나노! 작아지면 달라지는 것들 18 미래 자동차! 나노 기술을 만나다.

26 미래 자동차! 나노 패턴을 입다.

첨단 기술의 혜택 평등한가

첨단 기술의 혜택, 평등한가? 44 암, 어떻게 알아내지? 49 나노 입자로 암을 진단해? 57

첨단 기술로 더불어 사는 삶 67

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2

중 학 교 2 학 년

융 합 인 재 교 육 ( S T E A M ) 프 로 그 램

나노 기술로 만드는 미래 자동차․나노 달라지는 것들작아지면

․미래 자동차 나노 기술을 만나다

․미래 자동차 나노 패턴을 입다

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나노 기술로 만드는 미래 자동차

2000년 이후 세계 각국은 나노 기술을 미래의 국가 경쟁력에 우위를 가져다 줄 가능성으로 인식하고 나 노 기술 개발에 엄청난 예산을 투자하고 있다. 우리나라도 2001년부터 나노기술종합발전계획을 수립하여 국가 차원에서 나노 기술개발을 추진하고 있으며, 나노 관련 논문 및 특허 출원 상황 등으로 볼 때 우리 나라는 세계 4위 수준의 나노 기술 수준을 갖추고 있는 것으로 평가된다.

이러한 높은 성장 잠재력을 지닌 나노 기술은 미래에 수많은 일자리를 창출해 낼 것이며, 미래 사회 변 모시키는 데 큰 영향을 줄 것이다. 때문에 미래의 나노 기술 인력이자 나노 관련 제품의 소비자인 학생 들에게 나노 과학에 대해 소개하는 것은 의미 있는 시도라고 볼 수 있다.

사실 나노 기술 자체는 꽤 흥미 있는 소재지만 중학교 학생들이 그 원리를 이해하기에는 어려움이 많다.

때문에 본 프로그램에서는 나노 기술의 원리를 깊이 있게 탐구하기 보다는 다양한 나노 소재와 나노 기 술 소개하고 학생들로 하여금 나노 기술을 우리 생활에 적용해 볼 수 있는 방안을 모색해보려고 한다.

한편 나노 기술을 적용할 대상으로 선택한 자동차는 1880년대에 발명된 이래 당대의 최첨단 기술이 더 해지면서 나날이 발전되어가고 있으며, 이미 탄소 섬유나 나노촉매 등을 적용한 자동차가 개발되어 운행 중이다. 학생들은 자동차의 여러 부품과 특정 기능에 적합한 나노 소재 및 기술을 모색해 보면서 나노 기술을 좀 더 깊이 있게 이해하고, 나노기술이 우리 생활에 주는 영향을 체험하게 될 것이다.

* 내용목표

- 물질이 나노 크기로 작아지면 새로운 성질을 나타낸다는 것을 안다.

- 뉴스를 통해 첨단 나노 과학기술의 쓰임을 알아본다.

- 탄소 원소의 특성을 알고 탄소나노소재의 성질과 활용을 이해한다.

- 미래 자동차의 각 부분에 적용할 수 있는 나노 기술과 탄소나노 소재를 찾아보고, 그 이유 를 설명할 수 있다.

* 과정목표

- 동영상과 종이 자르기 활동을 통해 1nm(나노미터)의 크기를 어림해 본다.

- 나노 소재의 패턴이 갖는 특징을 알고, 이를 자동차 디자인에 응용할 수 있다.

- 나노 소재와 기술이 적용된 미래 자동차를 소비자에게 소개하기 위한 브로슈어를 만들 수 있다.

과학

(8) 물질의 구성

(가) 모든 물질은 원소로 이루어져 있음을 알고, 대표적인 여러 가지 원소를 원소 기호로 나타낸다.

(22) 과학과 인류문명

(가) 우리 생활에 이용되고 있는 첨단 과학의 예를 들 수 있다.

(다) 과학의 발전과정에 기초하여 미래 생활에 영향을 줄 기술이 무엇인지를 말하고 그 근거를 제시한다.

기술가정

(6) 생명기술과 미래의 기술

(나) 미래 기술의 동향과 사례를 이해하고, 미래 사회에서 기술이 미치는 영향과 올바 른 미래 기술의 방향을 설명하며, 미래 기술과 관련된 문제를 교과 간 통합적 지식 을 활용하여 창의적으로 해결할 수 있다.

미술 표현_21. 창의적인 발상을 통해 주제의 특징과 목적을 표현한다.

상황제시

기존의 물질보다 훨씬 작은 크기에, 지금까지 존재하지 않았던 새로운 성질을 가지고 있는 나노 입자. 미래 사회는 이 나노 기술에 의해 엄청나게 바뀔 수 있다고 하는데... 만약 자동차에 첨단 나노 기술을 적용해 본다면 자동차는 얼마나 더 진보할 수 있을까? 나노 기술을 장착한 자동차는 과연 어떤 모습일 까?

교과목 STEAM 요소

과학, S, T/E,

창의적 설계

이미 우리 생활에 많이 사용되는 나노 소재와 나노 기술을 접 해보고, 이를 이용하여 미래의 자동차를 구상해 보자. 자동차 의 부품과 각 기능에 적합한 나노 기술을 찾아보고 나노 입자 의 장점을 활용하여 지금보다 더 편리하고, 안전하며 효율적인 미래 자동차를 구상해 보자.

교과목 STEAM 요소

기가 S, T/E

감성적 체험 (성공의

경험)

일반인에게 생소한 나노 소재와 기술을 응용하여 미래 자동차 를 구상해 보고 모둠 친구들과 협력하여 자동차 브로슈어를 제 작해 보면서 첨단 과학의 현장에 함께하는 자부심을 느낄 수 있다.

교과목 STEAM 요소 미술 T/E, A

6

1880년대에 처음 발명된 이래 GPS, 인공지능 등 당대의 첨단 기술이 더해지면서 나날이 발전 하고 있는 자동차. 이미 스스로 주차하는 ‘오토파킹’ 기능이 장착된 자동차가 판매되고 있으며, 구글 본사에는 수십 대의 무인자동차로 출퇴근하는 직원들이 무인 운전의 성능과 안정성을 검 증하고 있다.

여기에 원자 몇 개 크기의 물질을 조립하여 이전에 없었던 새로운 성질의 물질을 만들어내는 나노기술이 더해진다면 자동차는 더 안전하고, 효율적이며 친환경적인 운송수단으로 변모할 수 있을 것이다.

이번 프로그램에서는 나노 물질의 특성을 알아보고, 나노 기술이 적용된 미래 자동차를 구상 해 보며 나노 패턴을 이용하여 자동차를 디자인하는 과정을 통해 첨단 나노 기술의 미래를 경 험해 보자.

< 미래 자동차 >

주제 내용 수업실행 과목

STEAM 요소

1차시

나노!

작아지면 달라지는

것들

1nm의 크기를 소개한 동영상과 종이 띠 자르기 활동 을 통해 나노 입자의 크기를 체험해 본다. 담배 유해 성분을 무해한 성분으로 바꾸는 나노 촉매, 물에 젖 지 않는 연잎 구조를 나타내는 나노 입자, 햇빛에 의 해 색이 바뀌는 나노 결정 등 뉴스 동영상을 통해 우 리나라에서 개발된 나노 기술을 알아본다.

과학 S, T/E, M

2차시

미래 자동차!

나노 기술을 만나다.

탄소로 이루어진 탄소나노튜브, 탄소 섬유, 그래핀, 카본블랙 등 나노 소재의 활용과 특성을 알아본다, 1,2차시에서 배운 나노 소재와 나노 기술 중 자동차 에 적용했을 때 자동차의 성능과 안전을 향상시킬 수 있는 것을 선택해 보고, 그 이유를 적어보면서 나노 기술의 활용 방법을 모색해 본다.

기가 S, T/E,

3차시

미래 자동차!

나노 패턴을 입다.

자연에서 발견할 수 있는 나노 패턴의 특징을 알아보 고, 이를 미래 자동차 디자인에 적용해 본다. 나노 소 재와 기술 및 나노 패턴이 적용된 자동차 브로슈어를 만들어 보면서 나노 기술이 미래 사회와 기술에 끼치 는 영향을 알아본다. .

미술 S, T/E, A

평가 목표 내용 평가요소 종류 차시

융합적 지식 및 개념

함양

물질이 나노 크기로 작아졌을 때 새로운 물성을 가진다는 것을 이해하고, 자동차의 성능과 안전 성을 향상시키는데 적합한 나노 소재와 나노 기 술을 선택하며, 선택의 이유를 과학적으로 서술

* 탄소 나노 소재 의 특성과 활용 분야에 대한 이해

* 자동차에 적용 한 나노 소재 및 나노 기술의 적합 성

보고서 및 산출물

평가

1, 2

창의적 사고 능력 함양

나노 소재와 기술 및 나노 패턴을 미래의 소비 자에게 효과적으로 알리기 위해 창의적인 방법으 로 정보를 표현

* 브로슈어의 창

의성 보고서

평가 3 소통 능력

함양

모둠 친구들과 함께 자동차에 적용할 나노 기술 을 선택하고, 브로슈어로 표현해 보면서 서로의 의견을 조율하여 결론을 도출

* 문제를 해결하 는 과정에서의 협 력

자기평 가 2, 3

배려의 태도 함양

모둠활동을 통해 의견을 도출하는 과정에서 서로 를 배려하고, 나노 기술을 소개하는 브로슈어를 제각해 보면서 첨단 기술에서 소외되기 쉬운 일 반인들에게 첨단 과학정보를 이해하기 쉽게 설명

* 브로슈어에 소 개된 나노 기술 설명의 적절성

산출물 평가 자기평

가 3

8

차시별 교수학습 지도안(1/3) 차시별 교수학습 지도안(1/3) 차시별 교수학습 지도안(1/3)

수업주제 나노! 작아지면 달라지는 것들 대상 중 2 차시 1/3

학습목표 동영상과 종이 자르기 활동을 통해 1nm(나노미터)의 크기를 어림해 본다.

물질이 나노 크기로 작아지면 새로운 성질을 나타낸 다는 것을 안다.

뉴스를 통해 첨단 나노 과학기술의 쓰임을 알아본다.

STEAM

요소 S, T/E 연계과목 과학

교육과정 (8) 물질의 구성 (가) 모든 물질은 원소로 이루어져있음을 알고, 대표적인 여러 가지 원소 를 원소 기호로 나타낸다.

준비물 PPT자료, 나노기술 관련 뉴스 동영상, 활동지, 종이 띠(1×15cm), 가위, 30cm 자 Nano

big idea 과학, 기술, 사회

흐름 시간

(분) 교수-학생 활동 비고

도입 5

• Solve the problem

- 총괄 과제를 제시한다. 1,2차시에서 나노 소재와 기술에 대해서 배우고 이를 미래 자동차에 적용해 보며, 3차시에는 나노 기술 을 응용한 자동차 브로슈어로 완성할 거라고 소개한다.

ppt

전개 38

• 1nm는 얼마나 작은 걸까?

- 나노 크기를 소개한 동영상을 통해 1nm의 크기를 알아보기

• 활동하기 2] 미션!! 종이를 1nm 길이로 잘라보자.

- 종이 자르기 활동을 통해 여러 물체의 크기와 나노 입자의 크 기를 가늠해 본다.

• 작아지면 달라지는 것들 – 나노물질의 특성

- 뉴스를 통해 우리나라에서 개발한 나노 소재와 나노 기술을 접 해 보고, 그 활용 범위를 알아본다.

tip. 1nm 크기를 다룰 때에는 정량적으로 계산하는 것 보다는 나노 입자의 크기가 아주 작기 때문에 우리가 일상적으로 접하는 물 질들과 다르다는 것을 이해하는 정도로 접근한다.

종이띠 (1×15cm), 가위, 30cm 자

정리 2

• 본차시 정리 및 차시예고

- 나노 입자는 매우 작으며, 물질이 나노 크기로 작아질 경우 새 로운 성질을 나타낼 수 있다는 것을 다시한번 상기시킨다.

나 노 기 술 관련 뉴스 동영상,

나노! 작아지면 달라지는 것들 나노! 작아지면 달라지는 것들 나노! 작아지면 달라지는 것들

학습 목표 간단한 활동을 통해 나노 크기를 체험하고, 물질이 나노 크기로 작아질 때 성질이 달라지는 현상을 안다.

출처 : https://www.flickr.com/photos/hagengraf/5940095920

< 미래 자동차 >

1880년대에 처음 발명된 이래 GPS, 인공지능 등 당대의 첨단 기술이 더해지면서 나날이 발 전하고 있는 자동차. 이미 스스로 주차하는 ‘오토파킹’ 기능이 장착된 자동차가 판매되고 있 으며, 구글 본사에는 수십 대의 무인자동차로 출퇴근하는 직원들이 무인 운전의 성능과 안정 성을 검증하고 있다.

여기에 원자 몇 개 크기의 물질을 조립하여 이전에 없었던 새로운 성질의 물질을 만들어내는 나노기술이 더해진다면 자동차는 더 안전하고, 효율적이며 친환경적인 운송수단으로 변모할 수 있을 것이다.

이번 프로그램에서는 나노 물질의 특성을 알아보고, 나노 기술이 적용된 미래 자동차를 구상 해 보며 나노 패턴을 이용하여 자동차를 디자인하는 과정을 통해 첨단 나노 기술의 미래를 경험해 보자.

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활동1 1nm(나노미터)는 얼마나 작은 걸까?

나노 과학이란 무엇일까?

나노 과학은 원자 몇 개 정도 크기의 작은 입자들을 이용하여 새로운 성질의 물질을 합성하고, 제 어하는 분야를 말한다. 보통 사람의 키를 이야기 할 때에는 m(미터), 거리를 나타낼 때에는 km(킬 로미터) 단위를 사용하는 듯이 나노 크기의 입자는 nm(나노미터)라는 단위로 표현한다.

나노크기를 소개한 동영상 통해 1nm의 크기를 알아보자.

엠파이어 스테이트 빌딩 적혈구 박테리아 나노입자 443m의 엠파이어 스테이트 빌딩만큼 확대한 머리카락 굵기

출처 : https://www.youtube.com/watch?v=IC3AcItKc3U

만약 0.1mm 두께의 머리카락을 세계에서 가장 높은 빌딩이었던 엠파이어스테이트 빌딩(443m) 만 큼 확대한다면, 적혈구는 빌딩의 10층, 박테리아(세균)는 3층 정도 크기가 된다는 것을 알 수 있다.

한편 크기가 1nm인 입자를 같은 비율로 확대한다면 그 크기가 겨우 1/4인치(=0.6cm) 정도밖에 되 지 않는다.

※ 머리카락 두께에 나노 입자가 100,000개 들어간다.

물체의 종류 크기 nm 크기로 바꿔보면?

엠파이어스테이트 빌딩 443m 

사람 1.5m 

머리카락      × ^{ }  ※ 적혈구  × ^{ }   

박테리아 (세균)  × ^{ }   

1 나노입자 ^{ }   

1.

나노 크기의 물질을 다룰 때 어떤 점이 어려울까?

나노 크기의 물질은 너무 작아서 우리 눈이나 일반 현미경으로 볼 수가 없고, 만지거나 잡을 수 없기 때문에 다루기 어려울 것 같다.

2.

나노 크기의 부품을 이용하면 우리가 사용하고 있는 물건을 훨씬 작은 크기로 만들 수 있다.

지금보다 훨씬 작은 크기로 만들었을 때 좋을 것 같은 제품과 그 이유를 적어보자.

컴퓨터 – 크기를 작게 만들면 입고 다니는 컴퓨터를 만들 수 있을 것 같다.

그러면 전기도 덜 사용하고 어디에서나 쉽게 컴퓨터를 이용할 수 있을 것이다.

로봇 – 나노크기만큼 작게 만들면 몸속에 들어가서 질병을 일으키는 물질만 제거하거나, 치료할 수 있을 것이다.

Tip

< 교사를 위한 수업 팁>

1. 본 차시 수업에서는 나노 입자의 크기를 계산하는 것보다 나노 입자가 일상적으로 접하는 사물의 크기보다 매우 작다는 것과 물질이 나노크기로 작아졌을 때 새로운 물성을 가지게 된다는 것에 주안점을 준다.

2. 활동하기 1]의 2번 활동은 나노 기술이 기존의 물건을 작아지게 만드는 것이 아니라 나노 크기의 부품을 이용해서 새롭게 만드는 것임을 강조해서 지도해야 한다. 실제 많은 학생들 이 해당 문항을 잘못 이해하고 ‘쓰레기의 크기를 줄이고 싶다.’ 내 얼굴 크기를 줄이고 싶 다‘ 등의 답을 하는 경우가 많았다.

< 동영상 출처>

1. How Big Is a Nanometer (재생시간 1분 28초) https://www.youtube.com/watch?v=IC3AcItKc3U

< 동영상 추가 자료 >

1. What is Nano? (재생시간 3분 28초)

https://www.youtube.com/watch?v=Dxq-ffp3jqA 2. How Small Is Nano? (재생시간 2분 51초)

https://www.youtube.com/watch?v=bQzFpP4FSN4 3. How Small is a Nanoparticle? (재생시간 33초)

https://www.youtube.com/watch?v=38Vi8Dm0kdY

12

자른 회수 종이의 길이 자른 회수 종이의 길이 자른 회수 종이의 길이

시작 15cm 7회 14회

1회 8회 15회

2회 9회 16회

3회 10회 17회

4회 11회 18회

5회 12회 19회

6회 13회 20회

활동2 미션!! 종이를 1nm(나노미터) 길이로 잘라보자.

볼펜길이(15cm)의 종이를 반으로 잘라보자. 그리고 반으로 자른 종이 중 하나를 다시 반으로 잘라 보자. 같은 방법으로 종이가 너무 작아서 자를 수 없을 때까지 자른다면 종이를 몇 번이나 자를 수 있을까?

직접 해 보기 전에 종이를 몇 번이나 자를 수 있을지 ( )에 적어보자.

시작

1회

2회

나는 종이를 ( )번 자를 수 있을 것 같다.

⇨ 나는 종이를 ( )번 자를 수 있었다.

15cm

1.

2명이 1조가 되어 한명은 종이를 자르고, 나머지 한명은 종이길이를 측정하여 표에 기록해 보 자.

2.

여러분이 가장 마지막에 자른 종이의 길이는 얼마였는가?

내가 가장 마지막에 자른 종이 길이는 ( 약 1 ~ 2 )mm이다.

3.

15cm 길이의 종이를 몇 번 자르면 종이 길이가 1nm(나노미터)가 될까?

( ※ 참고 : 선생님이 보여주시는 참고 자료를 이용하자.)

종이를 ( 27 )번 자르면, 종이 길이가 1nm 가 된다.

4.

이 활동을 하면서 알게 된 것을 적어보자.

나노 크기의 물질은 내가 생각했던 것 보다 훨씬 작다.

나노 크기의 물질을 다루는 것은 매우 어려울 것 같다.

Tip

< 교사를 위한 수업 팁>

1. 종이 자르기 실험의 경우 많은 학생들이 10회 정도는 자를 수 있을 것이라고 생각한다. 하 지만 실제 해 보면 대부분 6~8회 정도에서 실험을 멈추게 된다.

2. 종이를 자르다가 아주 얇아지면 종이를 90도 회전시켜 자르는 방향을 바꾸는 학생들도 있 다. 때문에 종이를 자를 때 처음부터 끝까지 같은 방향으로 자르도록 지도한다.

3. ‘도전 나노크기 종이 자르기’ 자료는 학생들이 직접 종이를 잘라본 다음에 보여준다.

14

활동3 작아지면 달라지는 것들.. 나노물질의 특성

다음 우리나라에서 개발된 나노 기술을 소개하는 뉴스를 들어보면서 나노 물질의 특성에 대해 알 아보자. ( 뉴스를 들어보면서 빈칸에 알맞은 말을 넣거나, 옳은 말을 찾아보자)

1.

“담배 연기 걱정 ‘뚝’...” KBS 김민정 기자

담배 연기의 유해성분을 인체에 무해한 성분으로 바꿔주는 공기 청정 장치를 국내 연구진이 개발했습니다. 한국과학기술연구원이 개발한 이 장치는 ( 나노 ) 촉매를 활용해 담배 연기 속 의 ( 유해 ) 성분을 인체에 ( 무해한 ) 수증기와 이산화탄소로 분해합니다. 한국과학기술연구 원은 1년 안에 이 기술을 상용화하고, 앞으로 에어컨 공기 청정기 등에서 활용할 수 있을 것 으로 기대하고 있습니다.

출처 : 담배 연기 걱정 ‘뚝’…나노 촉매 기술로 잡는다. 2015.04.22. KBS 김민정 기자

2.

“물 위를 걷게 하는 ...” - SBS 최윤호 기자

연 잎에 떨어진 빗물은 스며들거나 퍼지지 않고 구슬처럼 흘러내립니다. 물 입자보다 작은 ( 나노 ) 크기의 돌기가 물을 튕겨내는 특수한 표면구조 때문입니다.

[양승만 박사/카이스트 : ( 연꽃잎 )의 나노구조를 생태 모방하여 구조를 그대로 갖고 있는 미 세입자를 균일하게 연속적으로 만들 수 있는 기술을 개발했습니다.]

앞으로 이 입자는 앞으로 젖지 않는 옷, 물에 지워지지 않는 화장품, 물 위를 걷는 로봇 등 다양한 분야에 응용 가능 합니다.

출처 : 물 위를 걷게 하는 '연잎구조 나노입자'. 2010.03.24. SBS 최윤호 기자

3.

“피부세포 구조 변화로 ...” - YTN 사이언스 이성규 기자

스위스 제네바대학 연구팀은 카멜레온이 피부를 당기거나 느슨하게 하는 방법으로 피부세포 의 구조를 바꿔 특정 파장의 빛만 반사시켜 ( 피부색 )을 바꾼다고 말했습니다. 이는 색소에 의존해 색이 변하는 여타의 동물과는 다른 것으로, 카멜레온 피부세포에 있는 ( 나노 결정 ) 이 ( 빛 )과 반응하는 이른바 광간섭 현상에 따른 것이라고 연구팀은 설명했습니다.

출처 : 피부세포 구조 변화로 카멜레온 색 변화. 2015-03-11. YTN 사이언스 이성규 기자

4.

물질의 크기가 나노크기로 줄어들면

( 크기만 작아지고 성질을 그대로 유지된다, 원래의 성질과 다른 새로운 성질을 가지게 된다. )

16

Tip

< 교사를 위한 수업 팁>

1. 나노물질의 특성의 경우 자세한 과학적 원리는 중학교 학생들에게 무척 어렵다. 때문에 과 학적 원리보다는 나노 물질의 특성과 이용에 대해 알려주는 내용의 동영상을 선택했다.

2. 정규교육과정에서는 크기에 따라 물질의 특성이 달라지지 않는다는 내용으로 되어있다. 때 문에 나노 입자가 가지는 새로운 물성과 물질의 특성에 대한 기본적인 개념이 서로 상충 되지 않도록 어느 정도 구분지어 지도할 필요가 있다.

< 동영상 출처>

1. 담배 연기 걱정 ‘뚝’…나노 촉매 기술로 잡는다. (재생시간 1분 38초)

http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LPOD&mid=tvh&oid=056&aid=0010159628 2. 물 위를 걷게 하는 '연잎구조 나노입자’ (재생시간 1분 50초)

http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LPOD&mid=tvh&oid=055&aid=0000179112 3. 피부세포 구조 변화로 카멜레온 색 변화 (재생시간 33초)

https://www.youtube.com/watch?v=vqj680jXsXw

< 동영상 추가 자료 >

1. 첨단 나노기술 한 자리에...나노코리아 2015 개막

http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LPOD&mid=tvh&oid=052&aid=0000696756 2. 전기차 충전 1분이면 'OK'…자동차 혁명 온다

http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LPOD&mid=tvh&oid=057&aid=0000199644 3. Smart materials (1 of 5): Gecko Adhesive fit for Spiderman

https://www.youtube.com/watch?v=gzm7yD-JuyM

4. [대전·대덕] KAIST,그래핀 이용 초고강도 신소재 개발 / YTN https://www.youtube.com/watch?v=mzIGQdmlq6o

차시별 교수학습 지도안(2/3) 차시별 교수학습 지도안(2/3) 차시별 교수학습 지도안(2/3)

수업주제 미래 자동차! 나노기술을 만나다. 대상 중 2 차시 2/3

학습목표 탄소 원소의 특성을 알고 탄소나노소재의 성질과 활용을 이해한다.

미래 자동차의 각 부분에 적용할 수 있는 나노 기술과 탄소나노 소재를 찾아보 고, 그 이유를 설명할 수 있다.

STEAM

요소 S, T/E 연계과목 기술가정

교육과정

(6) 생명기술과 미래의 기술

(나) 미래 기술의 동향과 사례를 이해하고, 미래 사회에서 기술이 미치는 영향과 올바른 미래 기술의 방향을 설명하며, 미래 기술과 관련된 문제를 교과 간 통합적 지식을 활용 하여 창의적으로 해결할 수 있다.

준비물 PPT 자료, 탄소나노 소재 관련 동영상, 활동지, 탄소나노 소재 카드.

Nano

big idea 과학, 기술, 사회

흐름 시간

(분) 교수-학생 활동 비고

도입 4

• 전차시 내용확인]

- 나노 연잎기술, 나노 촉매, 나노 광간섭 현상 등 각 기술의 특 징을 상기시켜보고, 이번시간에는 이를 자동차에 적용하는 활동 으로 이어진다는 것을 소개

전개 40

• 탄소와 탄소나노소재는 어디에 쓰일까?

- 동영상을 통해 탄소원소의 특징과 탄소나노 소재 (흑연, 카본블 랙, 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노튜브)의 특성과 활용에 대해 알 아본다.

- 동영상에 제시된 탄소나노소재의 구조, 탄소원자의 결합부분은 중학교 교육과정에 비해 좀 어렵기 때문에 원리보다는 나노 소 재의 특성과 활용부분에 중점을 두어 지도한다.

• 미래 자동차에 적용될 나노 기술은?

- 모둠별로 1,2차시에 배운 나노기술과 탄소나노소재를 자동차의 각 부분에 적용해 보고, 그 이유를 설명해 보면서 나노기술의 활용 방법에 알아본다.

tip. 각 활동에 제시된 교사용 참고 자료를 확인.

탄 소 나 노 소재 관련 동영상, 탄 소 나 노 소재 카드.

정리 1 • 차시예고

18

미래 자동차! 나노 기술을 만나다.

미래 자동차! 나노 기술을 만나다. 미래 자동차! 나노 기술을 만나다.

학습 목표 탄소나노 소재와 나노기술의 활용을 알아보고, 나노 기술이 적용된 미래 자동차를 구상해 볼 수 있다.

활동1 탄소와 탄소 나노소재는 어디에 쓰일까?

탄소나노 소재를 소개한 동영상을 보면서 빈칸에 알맞은 말을 넣어보자.

출처 : 한국화학연구원

1.

탄소원소는 다른 원소에 비해 ( 강한, 약한 )결합력을 가진다.

2.

탄소는 다른 원소가 결합할 수 있는 결합자리가 ( 4 )개이기 때문에 여러 형태로 결합하여 다양한 물질들을 만들어 낼 수 있다.

3.

동영상에 등장하는 탄소소재의 이름과 활용, 구조 및 특성을 적은 카드를 같은 내용끼리 정리 해 보자.

탄소 소재의 구조 탄소 소재의 특성 탄소 소재의 활용

구조 - 가 ∙ ∙ 특성 - 1 ∙ ∙ 활용 A 카본블랙 구조 - 나 ∙ ∙ 특성 - 2 ∙ ∙ 활용 B

탄소나노튜브 구조 - 다 ∙ ∙ 특성 - 3 ∙ ∙ 활용 C

탄소 섬유 구조 - 라 ∙ ∙ 특성 - 4 ∙ ∙ 활용 D

흑 연

구조 - 마 ∙ ∙ 특성 - 5 ∙ ∙ 활용 E 그래핀

1. 강한 2. 4

3. 활용 A (카본블랙) - 구조 라 - 특성 3 , 활용 B (탄소나노튜브) - 구조 마 - 특성 5 활용 C (탄소섬유) - 구조 가 - 특성 2, 활동 D (흑연) - 구조 나 - 특성 1 활동 E (그래핀) - 구조 다 - 특성 4

Tip

< 교사용 수업 팁 >

1. 탄소 소재 카드는 첨부 자료를 카드 용지에 출력한 다음, 카드 형태로 잘라서 모둠별로 1 세트 (15장)씩 나누어 준다.

2. 동영상의 내용이 중학교 2학년 학생들에게 다소 어려울 수 있으며, 재생 시간이 7분 정도 로 길기 때문에 동영상을 보기 전에 카드를 나누어 주고 동영상을 보면서 해결 할 수 있 도록 한다.

3. ‘탄소 소재의 이해’ 동영상이 어렵다면 하나의 소재에 대한 설명이 끝날 때 마다 동영상을 정지하고, 학생들에게 카드를 맞춰보게 한 다음 교사가 부연 설명을 해줄 수도 있다.

4. 탄소 원소는 매우 흔한 원소이며, 탄소원자의 결합방식에 따라 다양한 성질을 갖는 탄소나 노소재로 활용될 수 있음을 소개한다.

5. 탄소 나노소재를 소개 할 때 학생들에게 각 소재를 자동차의 어떤 부분에 적용 할 수 있 는지 지속적으로 발문하여, 학생들이 프로그램을 통해 해결하려는 문제를 지속적으로 인식 하도록 지도한다.

< 동영상 출처 >

1. 탄소소재의 이해 (한국화학연구원, KRICT) https://www.youtube.com/watch?v=nchUKEgZwOY

20

활동2 미래 자동차에 적용될 나노 기술은?

2만개 이상의 부품이 모여 만들어지는 자동차는 GPS, 연료전지, 인공지능 등 최첨단 기술이 더해 지면 나날이 진화하고 있다. 여기에 나노 기술이 더해진다면 자동하는 앞으로 더욱 안전하며, 편 리한 운동수단으로 변모하게 될 것이다.

< 미래 자동차 >

출처 : https://www.flickr.com/photos/hagengraf/5940095920

다음 표에는 자동차의 구조와 각 구조를 설계할 때 고려해야 할 점들이 나열되어 있다. 표의 질문 들을 생각해 보면서 미래형 자동차에 적합한 나노 기술을 찾아보자.

1.

1~2차시 수업에서 배운 나노 기술 및 나노 재료 중에 자동차에 적용할 수 있는 기술을 3~5가지 골라보자.

2.

각각의 기술을 자동차의 어느 부분에 적용하면 좋을까?

3.

자동차 부품에 나노 기술을 적용하면 어떤 이점이 있을까?

자동차의 구조 고려해야 할 특성 적용 할 수 있는

나노 기술과 장점(간단하게)

∙ 자동차 프레임 (외부 철제구조)

∙ 튼튼하고 안전한가?

∙ 부서지지 않고 잘 휘어지는가?

∙ 시간이 지나도 변하지 않는가?

∙ 무게가 가벼운가?

∙ 페인트 (외부 및 내부)

∙ 색이 오랫동안 유지 되는가?

∙ 색상을 바꿀 수 있는가?

∙ 오염 물질이 잘 묻지 않는가?

∙ 타이어 ∙ 오래 주행해도 잘 마모되지 않는가?

∙ 충격에 강하며 잘 파손되지 않는가?

∙ 에어컨 및

배기가스 필터 ∙ 유해 먼지를 효과적으로 제거하는가?

∙ 유해 물질을 무해하게 바꿀 있는가?

∙ 유리창

∙ 충격에 강한가?

∙ 투명한가?

∙ 디스플레이로 사용할 수 있는가?

∙ 난방장치 ∙ 열을 잘 전달하는가?

∙ 적은 연료로 난방이 가능한가?

자동차의 구조 고려해야 할 특성 적용 할 수 있는 나노 기술과 장점(간단하게)

∙ 연료 ∙ 태양전지 기술을 사용할 수 있는가?

∙ 연료 전지 기술을 사용할 수 있는가?

∙ 화석연료 사용을 줄일 수 있는가?

∙ 각종 전자부품 ∙ 높은 전기 전도성 – 전류를 잘 흐르 게 하는가?

∙ 열에 강한가?

∙ 에어백 ∙ 튼튼하고 잘 찢어지지 않는가?

∙ 작은 공간에 접어서 넣을 수 있는가?

예시

1. 나노 연잎 기술

▷ 자동차의 표면에 미세한 나노 돌기를 만들어서 연잎과 같을 효과가 나도록 만든다. 나 노 연잎 기술을 사용하게 되면 오염 물질이 자동차에 잘 달라붙지 않고, 비가 왔을 때 표면에 붙은 오염물질이 물과 함께 씻겨 내려가기 때문에 세차할 필요가 없어질 것이다.

2. 그래핀

▷ 그래핀을 이용하면 얇은 디스플레이를 만들 수 있기 때문에 자동차 유리창을 스크린처 럼활용하여 사고를 예방하거나 운전 정보를 효과적으로 표현할 수 있을 것이다.

▷ 그래핀을 이용한 태양전지는 얇고 가볍기 때문에 자동차 외부에 그래핀 태양전지를 설 치하여자동차에 필요한 전기를 생산해 낼 수 있을 것이다.

3. 활성탄소

▷ 다공성 탄소를 이용하여 자동차 에어컨 필터를 만들면 자동차 내부의 공기에 포함된 오 염물질을 효과적으로 제거할 수 있을 것이다.

4. 카본블랙

▷ 탄소 카본블랙을 타이어 제조에 이용하면 타이어가 잘 마모되지 않아서 오래 사용할 수 있다.

5. 탄소나노튜브

▷ 단단하고 잘 휘어지며 열을 잘 전달하기 때문에 자동차하면 난방 장치에 이용하면 적은 에너지로 난방효과를 낼 수 있을 것이다.

6. 나노 광결정 페인트

▷ 페인트에 나노 크기의 물질을 섞으면 그 두께에 따라서 반사되는 빛의 색이 달라진다.

때문에 각도에 따라 자동차 색이 달라 보이는 효과를 낼 수 있다.

22

Tip

< 교사를 위한 수업 팁 >

1. 학생들이 자동차의 구조나 생산 과정을 잘 모른다면 아래의 자동차 조립 동영상을 보여주 면서 자동차가 어떻게 만들어 지는지 안내할 수도 있다.

2. 탄소나노 소재 동영상을 정리하기 위해 사용했던 카드를 수합하지 말고, 카드에 적힌 나노 소재의 활용과 특징에 대한 정보를 그대로 이용하도록 지도한다.

3. 2차시 수업의 활동지는 3차시 활동에 꼭 필요하므로 수합했다가 3차시에 나누어 주거나, 다음 차시에 꼭 준비해야 한다고 알려준다.

< 참고자료 : 자동차 조립 동영상 >

1. BMW Factory ► 5 Series, 6 Series, 7 Series https://www.youtube.com/watch?v=YygcVR_VNzI 2. The BMW i8 Production

https://www.youtube.com/watch?v=q-ORsGXPTwY

< 참고자료 : 탄소소재 적용 자동차 설명서 >

1. 출처 : 신소재응용시스템설계연구실 - 복합재료를 적용한 자동차 구조설계 http://hyunjun8408.ivyro.net/xe/sdac

< 탄소나노 소재 카드 >

출처 : 한국화학연구원, KRICT

24

< 탄소나노 소재 카드 >

차시별 교수학습 지도안(3/3) 차시별 교수학습 지도안(3/3) 차시별 교수학습 지도안(3/3)

수업주제 미래 자동차! 나노 패턴을 입다. 대상 중 2 차시 3/3

학습목표 나노 소재의 패턴이 갖는 특징을 알고, 이를 자동차 디자인에 응용할 수 있다.

다양한 나노 소재와 기술이 적용된 미래 자동차를 소비자에게 소개하기 위한 브 로슈어를 만들 수 있다.

STEAM

요소 S, T/E, A 연계과목 미술

교육과정 표현_21. 창의적인 발상을 통해 주제의 특징과 목적을 표현한다.

준비물 PPT 자료, 도화지, 색연필, 사인펜, 풀, 가위, 자동차 그림 (2차시 수업에서 사용한 활동지도 꼭 필요함.)

Nano

big idea 과학, 기술, 사회

흐름 시간

(분) 교수-학생 활동 비고

도입 3

• 총괄과제 확인 및 본 차시 수업 안내

- 본 차시에서는 전차시에 구상한 미래 자동차에 대한 내용을 소 비자를 위한 브로슈어로 표현할 것임을 소개한다.

2 차시 활동지

전개 37

• 자연에서도 찾을 수 있는 나노 패턴.

- 나노소재를 현미경으로 촬영한 사진이나 그림을 통해 나노튜 브, 그래핀, 버키볼, 나비날개 비늘과 같은 다양한 나노크기의 입자들이 나타내는 패턴의 특징을 알아본다.

• 나노 패턴을 입은 미래 자동차

- 앞에서 제시한 나노 패턴을 그대로 사용하거나, 변형하여 미래 자동차 디자인에 응용해 본다.

• 나노 자동차 브로슈어 만들기

- 나노기술이 적용된 자동차의 특성과 장점을 일반 소비자에게 알리기 위해 자동차 브로슈어로 표현해 본다.

tip. 각 활동에 제시된 교사용 참고 자료를 확인.

나노 소재 현미경 사진, 그림

도화지, 색 연필, 사인 펜, 풀, 가 위, 자동차 그림

정리 5 • 동료평가

- 각 모둠에서 만든 브로슈어를 돌려보면서 평가하기

26

미래 자동차! 나노 패턴을 입다.

미래 자동차! 나노 패턴을 입다.

미래 자동차! 나노 패턴을 입다.

학습 목표 나노 구조가 가지는 패턴을 감상해 보고, 이를 이용하여 미래 나노 기술이 적용 된 자동차를 디자인을 브로슈어로 표현 해 보자.

이번 시간에는 나노 기술이 적용된 자동차를 더욱 빛내줄 나노 패턴을 구상하고, 우리가 구성한 나노 자동차를 소개하기 위한 브로슈어를 제작하려고 한다.

활동1 자연에서도 찾을 수 있는 나노 패턴

인터넷에 나노 구조, nano structure, nano patten, nanopatterning 라고 검색하면 다음과 같은 다양 한 이미지들을 볼 수 있다. 이 이미지들 탄소 나노 소재나 자연에 있는 나노 구조를 현미경으로 관찰한 사진이나 그림이다.

참고 : 위키피디아.

https://www.flickr.com/photos/zeissmicro/10995781963

28

1.

제시된 나노 구조들의 공통점은 무엇인가?

일정한 무늬가 반복적으로 나타나 독특한 패턴을 이룬다.

육각형의 구조가 많다.

벌집이나 잠자리 날개 같이 자연에서 볼 수 있는 패턴과 유사한 것도 많다.

2.

우리 주변에서 사용하는 제품들 중에 위와 같은 나노패턴 디자인은 적용해 볼 수 있는 것에는 무엇이 있을까?

의류, 침구류, 벽지 및 인테리어. 포장재 및 문구류, 장신구

Tip

< 교사를 위한 수업 팁 >

1. 학생들이 수업 중에 인터넷을 활용할 수 없는 경우 미리 인터넷에 ‘나노 구조, nano structure, nano patten, nanopatterning’라고 검색했을 때 찾을 수 있는 다양한 나노패턴 이 미지를 PPT로 만들어 보여줄 수도 있다.

활동2 나노 패턴을 입은 미래 자동차

나노 기술이 적용된 자동차를 멋지게 빛내 중 나노 패턴을 구상해 보자.

1.

다음에 제시된 자동차의 이미지를 중 하나를 고르자.

2.

우리가 고른 자동차에 응용할 나노 패턴을 구상해 보자.

가. 나노 패턴은 기존에 있던 것을 수정해서 사용할 수도 있고, 새롭게 구상할 수도 있다.

나. 자동차의 형태를 디자인 하는 것이 아니므로 형태는 그대로 유지하자.

다. 예시 작품과 같이 자동차에 적용될 나노 패턴을 간단히 그려보자.

출처 : https://pixabay.com/ko/photos/car/

위키피디아

30 예시

Tip

< 교사를 위한 수업 팁 >

1. 활동하기 2는 이 활동은 시간이 부족할 경우 생략하고, 활동하기 3에서 한꺼번에 진행할 수 있다.

2. 나노 패턴을 응용할 때에는 소재가 아니라 패턴만 사용할 것임을 분명히 한다. 예를 들어 그래핀 패턴을 사용할 때에는 ‘그래핀’이라는 재료가 아니라 그래핀 구조의 패턴만 디자인 요소로 활용한다는 것이다.

활동3 나노 자동차 브로슈어 만들기

나노 기술과 나노 패턴을 적용한 자동차 브로슈어를 만들어 보자.

1.

다음의 내용이 포함되도록 자동차 브로슈어를 만들어 보자.

가. 자동차의 전체적인 형태가 표현되어야 한다.

나. 자동차에 적용된 나노기술을 간단히 소개하는 내용이 포함되어 있어야 한다.

다. 자동차 디자인에 적용된 나노 패턴이 잘 드러나 있어야 한다.

라. 소비자에게 우리가 구상한 자동차의 장점과 특징이 잘 전달되도록 구성한다.

예시

32 예시

Tip

< 교사를 위한 수업 팁 >

1. 브로슈어에는 자동차에 적용한 각각의 나노 소재나 기술의 특성을 반드시 포함하여 서술 하도록 하며, 일반 소비자가 이해하기 쉽게 표현하도록 지도한다.

2. 미적으로 아름답고 전달하고자 하는 정보가 효율적으로 표현된 브로슈어로 구성하도록 지 도한다.

3. 자동차와 나노 패턴 이미지를 아래 그림과 같이 편집한 다음 칼라로 출력하여 모둠별로 1 장씩 나누어 주면 완성도 높은 산출물을 만들어 낼 수 있고, 브로슈어 제작 시간을 줄일 수 있다.

34

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점 1. 나노 입자를 다루기 어려운 이유를 나노 입자의 크기와 연관

지어 설명할 수 있는가? V V V V V

2. 나노 소재로 만들면 좋은 제품을 고르고 그 이유를 논리적으

로 설명하는가? V V V V V

3. 뉴스 동영상을 보고, 뉴스에서 소개한 나노 기술의 종류와

특성을 찾아 낼 수 있는가? V V V V V

평 가 지 평 가 지 평 가 지

● 1차시: 나노! 작아지면 달라지는 것들

가. 교사 평가지

◎ 평가목표

- 나노입자의 크기가 매우 작고, 때문에 나노 입자를 다루는 데 별도의 기술이 필요하다는 것을 안다.

- 뉴스에서 소개되는 나노 기술의 종류와 나노 과학의 쓰임새를 찾을 수 있다.

나. 동료평가지

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점 1. 종이 자르기 활동을 할 때 모둠원이 협동하여 활동하였는가? V V V V V 2. 모둠 토의를 통해 새로운 나노 기술 제품을 선택했는가? V V V V V 3. 학습 활동에 참여하기 어려운 친구가 수업 활동에 소외되지

않도록 배려했는가? V V V V V

다. 자기평가지

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점

1. 개인 학습 활동지를 열심히 작성했는가? V V V V V

2. 모둠 토의 시 자신의 의견을 표현하고, 모둠 친구의 의견을

경청하여 들었는가? V V V V V

3. 모둠에서 맡은 역할에 충실하게 참여하였는가? V V V V V

● 2차시: 미래 자동차! 나노 기술을 만나다.

가. 교사 평가지

◎ 평가목표

- 탄소 원소의 특성을 알고, 탄소 소재 카드를 이용하여 나노소재의 성질과 활용 분야를 설명할 수 있다.

- 미래 자동차의 각 부분에 적용할 수 있는 나노 기술 및 나노 소재를 찾고, 그 이유를 설명할 수 있다.

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점 1. 탄소 원소의 특성과 결합 방법을 옳게 설명하는가? V V V V V 2. 탄소소재 카드를 이용하여 탄소나노소재의 성질과 구조, 활용

분야를 바르게 설명할 수 있는가? V V V V V

3. 미래 자동차에 적용할 수 있는 다양한 나노 기술이나 나노

소재를 찾아내고 그 이유를 설명할 수 있는가? V V V V V

나. 동료평가지

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점 1. 탄소나노 카드 활동을 할 때 모둠 모둠원들이 참여하여 문제

를 해결하였는가? V V V V V

2. 자동차에 나노 과학을 적용할 때 모둠원들이 서로의 의견을

경청하며 대화와 조율을 통해 문제를 해결했는가? V V V V V 3. 학습활동에서 소외되는 모둠원 없이 함께 활동에 참여했는가? V V V V V

다. 자기평가지

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점

1. 개인 학습지는 열심히 작성했는가? V V V V V

2. 모둠활동을 할 때 자신의 의견을 제시했는가? V V V V V 3. 자신의 의견을 제시할 때 자료나 논리적인 근거를 들면서 설

명했는가? V V V V V

4. 내가 제시한 의견은 창의적인 아이디어라고 생각하는가? V V V V V

36

● 3차시: 미래 자동차! 나노 패턴을 입다.

가. 교사 평가지

◎ 평가목표

- 나노 소재의 패턴이 갖는 특징을 알고, 이를 자동차 디자인에 응용할 수 있다.

- 나노 소재와 기술이 적용된 미래 자동차를 소개하기 위한 브로슈어를 만들 수 있다.

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점 1. 나노 소재의 패턴을 자동차에 응용하여 미적으로 아름다운

자동차를 디자인으로 완성했는가? V V V V V

2. 브로슈어에 포함된 나노 기술과 나노 소재는 과학적으로 오류

가 없고, 적절했는가? V V V V V

3. 브로슈어에 서술된 나노 과학의 내용이 일반 소비자가 이해하

기 쉬울 정도로 쉽고 명확하기 표현되어 있는가? V V V V V 4. 브로슈어는 전체적으로 보기 편하고 정보를 효과적으로 전달

할 수 있도록 구성되어 있는가? V V V V V

나. 동료평가지

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점 1. 자동차 브로슈어 만들기 활동에서 모든 모둠원이 함께

참여했는가? V V V V V

2. 우리 모둠의 브로슈어는 보기 편하고, 일반 소비자가 이

해하기 쉽도록 구성되어 있는가? V V V V V

3. 과학을 잘 모르는 일반인들에게 복잡한 과학지식을 쉽게

설명하기 노력했는가? V V V V V

다. 자기평가지

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점 1. 브로슈어 만들기 활동에 열심히 참여했는가? V V V V V

2. 우리나라의 과학 기술력에 대해 자부심을 갖게 되었는가? V V V V V 3. 나노 과학을 배우고 미래 자동차를 구상해 보면서 첨단 과학

기술에 대해 관심을 갖게 되었는가? V V V V V

[ 그래핀이 층층이 쌓인 흑연의 구조 ]

[ 휘어지는 투명 디스플레이 예시 ] 출처 : 동국대학원 신문

읽 을 거 리 1

흑연에서 떼어낸 꿈의 나노 소재 (그래핀)

그래핀은 탄소들이 육각형의 벌집 모양을 이루면서 만들어진 얇은 층을 말한다. 우리가 연필심으로 사 용하는 흑연은 바로 이 그래핀이 층층이 여려 겹으 로 쌓여있는 것으로, 2004년 영국의 가임(Andre Geim)과 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 연구팀이 흑연에 투명한 테이프를 붙였다가 떼어내는 방식으 로 흑연에서 그래핀을 분리해 내는 데 성공했으며 이 공로로 2010년 노벨 물리학생을 받았다.

나노 과학자들이 그래핀을 꿈의 소재라고 부르는 것은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하면서도 강철보다 200배 이상 강하며, 열을 잘 전달시키는 것으로 유명한 다이아몬드보다도 2배 이상 열을 잘 전달시키기 때문이다. (참고로 가짜 다이아몬드와 진짜 다이아몬드를 구별할 때에도 열전도 정도를 측정하여 구별할 수 있다.) 한편 그래핀은 탄소로 이루어진 다른 나노 소재들이 주로 검은 색을 띠는 것과는 달리, 빛을 대부분 통과시키기 때문에 투명 하며 신축성이 뛰어나고 잘 휘어지는 장점을 가지 고 있다.

전기가 잘 통하는 그래핀은 초고속 반도체, 투명한 성질 을 이용한 휘어지는 디스플레이, 높은 전도도를 이용한 고효율 태양 전지로 이용 될 수 있다. 특히 투명하면서 강하고, 구부릴 수 있으며 전기를 통하는 그래핀은 입는 컴퓨터나 전자 종리를 만들 수 있기 때문에 앞으로 그 래핀의 활약을 기대할 만 하다.

( 『살아있는 과학교과서』 참고 )

38

읽 을 거 리 2

탄소로 만들어진 강철보다 강한 빨대 (탄소 나노 튜브)

탄소나노 튜브는 하나의 탄소가 3개의 다른 탄소와 결합하여 육각형 벌집구조를 이루고 있으며, 이런 벌집구조가 원통모양으로 둥글게 말린 구조를 하고 있다. 다시 말해 탄소나노튜브를 탄소로 만들어진 긴 빨대 같은 구조를 가지고 있다.

탄소나노튜브는 육각형의 그물이 어떤 각도로 말려 있는지 또는 튜브의 지름에 따라 전기를 잘 통하는 도체가 되기도 하고, 반도체가 되기도 한다. ( 참고로 반도체는 외부의 신호에 따라 전기를 잘 통하는 도체가 되기도 하고, 전기를 통하지 않는 부도체가 되기도 하는 물질이다. 반도체는 작 은 신호를 크게 증폭시키기도 하고, 전기를 흘려주었다가 끊어주기도 한다. )

[ 다양한 형태의 탄소 나노 튜브 ]

출처 : http://www.displaybank.com/_kor/research/print_contents.html?cate=column&id=3753 보통 탄소 나노 튜브는 10개 가닥을 모아야 머리카락의 두께가 될 정도로 아주 얇고, 속이 비어있 다. 이것은 구리보다 전기를 잘 통하며, 열을 잘 전달한다. 만약 탄소 나노튜브로 전자 기기를 만 든다면 전자기기의 크기는 더 작고, 빠르며 우수한 성능을 가지게 될 것이다.

한편 열과 마찰에 강한 탄소 나노 튜브를 섬유 같은 형태로 만들면 강철보다 강하며 매우 가벼운 섬유로 만들어낼 수도 있다고 한다.

( 『살아있는 과학교과서』 참고 )

볼 거 리

나노 코리아 (NANO KOREA)... 최신 나노 기술을 만날 수 있는 곳

‘나노 코리아’는 나노 기술의 확산과 관련 정보의 교류를 통해 나노 산업을 발전시키기 위한 목적 으로 시작되었다. 2003년부터 시작한 나노코리아는 국내 최대의 첨단 기술 전시회이면서 세계 2위 규모의 나노 기술 행사라고 한다.

나노 코리아에서는 전 세계의 첨단 기술과 제품을 만날 수 있고 나노 기술과 융합된 응용기술을 전시관과 세미나 및 다양한 전물 프로그램 등을 통해 접할 수 있다. 특히 ‘나노 코리아 2014’에서 는 자동차에 사용된 여러 나노융합기술들을 자동차 모형으로 전시하여 선보였다고 한다.

출처 : http://www.nanokorea.or.kr/

이 중 ○○○사는 친환경 공법의 나노 기술을 이용하여 정전기를 방지하는 자동차 연료주입커버 와 자동차용 손잡이를 선보였다. 실제 자동차에 연료를 주입할 때 발생하는 정전기는 차량 화재로 이어질 수 있기 때문에 정전기 방지 기능이 있는 연료주입커버는 자동차의 안전성을 높이는 데 기여할 것이라고 본다.

출처 : http://www.nanokorea.or.kr/

은 나노크기의 점토 광물을 이용하여 기존의 재료에 비해 열과 충격에 강하고, 불에 잘 타지 않으며 무게는 가벼운 나노 클레이 기술을 이용하여 자동차용 휠커버와 엔진커버를 선보였 다. 이 제품들은 기존 제품에 비해 고열에 강하고 가볍기 때문에 자동차의 연료를 감소하는데 효 과를 얻을 수 있다고 한다.

40

행 복 거 리

친환경 나노 기술이란?

나노 기술이 발전함에 따라 나노 기술을 이용하여 공해를 줄이고, 자원을 보존하여 친환경적이며 지속가능한 사회를 만드는 데 관심이 모아지고 있다. 최근 미국이 발표한 보고서에 따르면, 나노 기술과 녹색 화학(Green Chemistry) 및 녹색 공학(Green Engineering)간의 결합이 21세기에 환경적 으로 지속 가능한 사회를 구축하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대했다. 이 보고서는 나노기술 개발과정에서 자원을 보존하고 폐기물을 줄이면서 환경에 대한 영향을 최소화 할 수 있는 방법을 다루고 있다.

예를 들어 이산화규소와 철 산화물로 된 나노 입자 가 포함된 시멘트는 기존의 시멘트를 더 단단하게 만들어 주고, 빠르게 굳게 해 준다. 때문에 같은 건 물을 지을 때 적은 양의 시멘트로 건축이 가능하며, 시멘트를 제조할 때 사용되는 막대한 에너지를 줄이 는 효과가 있다.

출처 : 위키피디아

머리카락 1만분의 1 굵기인 얇은 이산화규소 5% 와 95%의 공기로 이루어진 에어로젤은 일 반 단열재로 보다 훨씬 효율적이며 반투명하다.

에어로젤로 벽이나 창을 만들 경우 태양복사에 너지는 흡수하면서 실내의 열이 외부로 나가지 않도록 차단하는 하기 때문에 난방에 소모되는 에너지를 크게 줄일 수 있을 것으로 예상한다.

건물일체형 태양광 모듈(BIPV)과 에너지 생산 건물일체형 태양광 모듈(BIPV)은 건축물 외벽에 태 양에너지로 전기를 생산하는 장치를 말한다. BPIV는 별도의 설치공간이 필요하지 않고, 전기를 생산하는 곳과 소비하는 곳이 동일하기 때문에 전기를 송전 할 때 발생하는 전력손실이 적은 장점이 있다. 기존 의 태양전지는 매우 고가였기 때문에 큰 규모의 건 축물에 적용하기에는 비효율적이었지만 나노 물질 을 이용하면 태양전지의 비용을 줄일 수 있으며 투 명한 재질로 만들어 창문을 커버할 수도 있을 것이

다. 출처 : 위키피디아

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중 학 교 3 학 년

융 합 인 재 교 육 ( S T E A M ) 프 로 그 램

첨단기술의 혜택 평등한가 어떻게․암

․나노 입자로알아내지 암을 진단해

․첨단 기술로 더불어 사는 삶

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첨단 기술의 혜택, 평등한가?

암은 현재를 살아가는 사람들의 사망 원인 1순위로 꼽힐 만큼 주변에서 암에 걸린 환자를 쉽 게 찾아볼 수 있으며 사망률 또한 높은 질병이다. 암의 종류는 약 30가지가 넘을 만큼 그 부 위와 기작에 따라 다양하게 구분될 수 있다. 이는 암을 진단하거나 치료하는데 역시 많은 어 려움이 있다는 것과 같은 의미이다. 즉, 암을 진단한다는 것은 단순한 암의 발생여부를 떠나 정도, 부위 등 모든 것을 고려해야 하는 것이다. 이렇게 암을 진단하는 것은 매우 까다롭고 복 잡한 일이며 특히 내과 수술시 종양이 어느 부위에 있는지를 확실히 알아야 그 치료 효과를 높일 수 있다 . 이러한 암 진단법 중 간단하고 편리하면서 특이 부분을 잘 골라낼 수 있는 나노를 이용한 암 진단법이다. 가장 간단한 원리로는 암에 걸리면 매우 소량의 단백질이 생성 되거나 조직이 변이되는데 이를 나노 입자를 이용하여 찾아낼 수 있다는 것이다. 나노 입자에 는 이러한 단백질이나 변이된 세포를 찾아낼 수 있는 수용기를 가지고 있으며 이러한 수용기 가 작용하여 암을 진단함으로써 암의 다양한 종류에 활용할 수 있으며 암이 생긴 부위를 정학 하게 측정할 수 있는 것이다.

그러나 이러한 첨단 기술을 활용한 의료 혜택을 세계 모든 사람들이 받는 것은 아니다. 누군 가는 음식물 쓰레기를 버릴 때 지구 반대편에서는 5세 이하의 어린이가 배고픔을 견디다 못해 사망하고 있는 것이 현실이다. 이러한 현실을 직시하고 이겨내기 위해서 우리가 할 수 있는 다양한 방안을 고민해보조가 한다. 첨단 과학기술이 갖는 혜택이 무엇인지 알아보고 이러한 기술의 혜택을 어떻게 하면 세상 사람들과 공평하게 나누어 가질 수 있는 방안을 모색해보조 가 한다.

* 내용목표

- 나노의 의미를 알고 그 크기를 짐작하여 다른 물체와 비교해볼 수 있다.

- 현재 사용하고 있는 암 진단법에 대해서 살펴보고 새롭게 도입된 나노 암 진단법과 비교하여 나노 암 진단법의 장점을 파악하고 이를 ‘질문 만들기’ 활동이나 ‘브로슈어 만들기’ 등으로 표현할 수 있다.

- 첨단 기술의 혜택을 공평하게 나눌 수 있는 방안을 다양한 사람들의 입장에서 생각해보고 그것을 정 리하여 공동선언문을 제작해볼 수 있다.

* 과정목표

- 나노 과학기술 개발의 필요성에 대해 깨닫고 기술 개발을 위해 함께 가져야 하는 삶의 태도에 대해 생각해 볼 수 있다.

- 더불어 사는 삶에 대한 태도를 가질 수 있다.

- 의사소통의 중요성을 알고 의사 전달을 올바르게 하기 위해서 필요한 것에 대해 생각해볼 수 있다.

과학 (22) 과학과 인류 문명_(다) 과학의 발전 과정에 기초하여 미래 생활에 영향을 줄 기 술이 무엇인지를 말하고 그 근거를 제시한다.

도덕 (라) 이웃에 대한 배려와 상호 협동_② 배려와 봉사활동

기술가정

(6) 생명 기술과 미래기술_(나) 미래 기술의 동향과 사례를 이해하고, 미래 사회에서 기술이 미치는 영향과 올바른 미래 기술의 방향을 설명하며, 미래 기술과 관련된 문 제를 교과 간 통합적 지식을 활용하여 창의적으로 해결할 수 있다.

상황제시

암도 유전 확률이 높아 가족력이 있는 사람들은 암이라는 존 재에 대해 두려움을 갖고 있다. 그러나 비용과 시간적인 측면 에서 검사를 쉽게 자주 할 수는 없다. 쉽게 자주 할 수 있는 방법은 없을까?

교과목 STEAM 요소

과학 S

창의적 설계

구글에서 발표한 암 진단용 나노입자. 구글에서도 연구할만큼 암을 싸고 쉽고 빠르게 찾아내는 방법은 현재 우리 의학의 숙 제이며 나노과학이 그 해답이 되고 있다. 나노 과학으로 암을 진단하는 것과 관련된 신문 기사를 찾아보고 그 원리를 그림 으로 그리거나 간단한 문장으로 표현해보자. 그것을 바탕으로 광고를 제작하고 광고의 문제점을 이야기해보자.

교과목 STEAM 요소 과학,

기가, 국어 미술

S, T/E, A

감성적 체험 (성공의

경험)

암의 생존율이 선진국과 후진국에서 현격한 차이를 보이는 만 큼 기술의 차이는 평균 수명을 좌우한다. 더불어 함께 할 수 있는 삶을 구현할 수 있는 원동력으로 나노 과학에 대해 생각 해보고 오픈 소스나 기술의 나눔으로 모두가 함께 사는 삶의 아름다움에 대해 이야기해 본다.

교과목 STEAM 요소

도덕 A

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암으로 인한 사망률 증가로 많은 사람들은 암 검사에 많은 시간과 비용을 투자하고 있으며 특히 가족력이 있는 사람들의 경우 암에 대한 두려움은 더욱 크다. 암은 한 달이라는 짧은 시간에도 갑자기 번지거나 다른 분위로 전이될 수 있다. 그러나 암 검사에 드는 비용과 시간을 생각한다면 한 달마다 암검사를 받는 일은 현실적으로 매우 어려운 일이다. 하물며 의료 기술이 부족한 지역에서는 더더욱 암 검진을 받 는다는 것은 쉽지 않은 일일 것이다. 하지만 나노 과학을 이용한 암 검진법이 실용 화된다면 매일 소변검사를 하는 것처럼 매우 쉽게 암을 검진할 수 있고 그에 적당 한 치료를 받을 수 있을 것이다. 이러한 첨단 기술의 혜택을 모든 사람이 평등하게 나누어 가지려면 어떤 방법이 필요할까?

주제 내용 수업실행

과목

STEAM 요소

1차시 암, 어떻게 알아내지?

암에 대한 가족력이 있는 사람들은 암이라는 존재에 대해 두려움을 갖고 있다. 보통의 암검사에 드는 비 용과 시간을 생각해보고 좀 더 쉽게 암검사를 할 수 있는 방법을 고민해보자.

과학 S

2차시 나노 입자로 암을 진단해?

구글에서 발표한 암 진단용 나노입자. 구글에서도 연 구할만큼 암을 싸고 쉽고 빠르게 찾아내는 방법은 현 재 우리 의학의 숙제이며 나노과학이 그 해답이 되고 있다. 나노 과학으로 암을 진단하는 것과 관련된 신 문 기사를 찾아보고 그 원리를 그림으로 그리거나 간 단한 문장으로 표현해보자. 광고 카피를 제작한 후 광고 카피가 갖는 문제점을 생각하여 발표한다.

기가 또는 과학

S, T/E, A

3차시

첨단기술로 더불어 사는

삶

암의 생존율이 선진국과 후진국에서 현격한 차이를 보이는 만큼 기술의 차이는 평균 수명을 좌우한다.

더불어 함께 할 수 있는 삶을 구현할 수 있는 원동 력으로 나노 과학에 대해 생각해보고 오픈 소스나 기 술의 나눔으로 모두가 함께 사는 삶의 아름다움에 대 해 이야기해 본다.

도덕 A

평가 목표 내용 평가요소 종류 차시 융합적 지식

및 개념 함양

가계도의 이해

암의 현재 진단법의 장단점을 찾아내고 나노의 의미를 이해하고 나노 과학으로 암을 진단하는 방법을 퀴즈로 풀어나감

* 나노 원리의

* 나노 과학으로정확성 암진단하기

보고서 평가 1,2

창의적 사고 능력 함양

나노 원리를 그림으로 표현하는 과정과 광고 카 피를 창작하는 과정에서 다양한 창의적인 생각들 이 표현되며 광고의 문제점을 찾아내면서 비판적 사고력이 향상

* 광고의 창의성

* 문명혜택을 나 누기 위한 창의적 방안 고안

보고서 평가 2

소통 능력 함양

광고 카피를 만들거나 선언문을 만드는 과정에서 모둠 학생들끼리 이야기를 나누며 의견을 조율하 여 결론을 도출

* 경청과 정확한

의사전달 능력 자기 평가 3

배려의 태도 함양

의견을 도출하는 과정에서 서로에 대한 배려심을 익히고 과정 자체가 혜택을 받지 못하는 제 3세 계 사람들의 입장을 고민해야 하므로 도덕적 능 력 함양이 가능

* 배려 자기

평가

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차시별 교수학습 지도안(1/3) 차시별 교수학습 지도안(1/3) 차시별 교수학습 지도안(1/3)

수업주제 암, 어떻게 알아내지? 대상 중3 차시 1/3

학습목표 가계도의 의미를 이해하고 암의 발생 여부를 가계도를 활용하여 그릴 수 있으며, 암 진단 법을 나타낸 브로슈어를 만들 수 있다.

STEAM

요소 S, T/E, A 연계과목 과학

교육과정 (20) 유전과 진화_(나) 유전을 연구하는 방법을 알고, 사람의 유전 현상을 이해한다.

준비물 PPT자료, 활동지 Nano

big idea 과학, 기술, 사회

흐름 시간

(분) 교수-학생 활동 비고

도입 5

• [Solve the problem]에 대한 설명을 한다.

- 안젤리나 졸리의 사례를 통해 암에 대한 두려움을 이야기해보 고 주변의 실례를 이야기해 본다.

- 암 진단이 쉽지 않고 느리고 복잡하기 때문에 자주 할 수 없어 암을 더 키울 수 있다는 상황을 통해 더 나은 암진단 법과 그 것의 혜택을 어떻게 하면 누릴 수 있는지 생각하게 한다.

활동지의 선언문을

큰 화면으로

준비함

전개 37

• 암 검사법 4가지를 글을 읽고 정리해본다.

- 글의 내용은 학생들의 수준으로 구성되어 있으므로 충분히 할 수 있다.

• 암 진단법을 간단한 브로슈어로 구성한다.

- 어떻게 구성할 것인지 마인드맵(낙서의 형태도 괜찮음)으로 표 현해보도록 한다.

• 나노 과학에서 알아야하는 단어 4가지의 의미를 검색을 통해 파악하고 중요한 키워드를 찾아낸다.

- 시간에 따라 탄력적으로 운영 가능하며 다음 차시의 내용과 직접 연계된다.

정리 3 • 다음 차시 예고

암, 어떻게 알아내지?

암, 어떻게 알아내지? 암, 어떻게 알아내지?

학습 목표 현재 암 진단법의 문제점에 대해 찾아낼 수 있으며 새로운 암진단법이 무엇인지 알 수 있고 나노 과학의 의미를 찾아볼 수 있다.

다음은 헐리우드 배우에 관련된 신문기사 이다.

출처: 위키디피아 할리우드 스타 안젤리나 졸리가 유방절제술을 받았다고 밝혔다.

안젤리나 졸리는 14일 뉴욕타임스에 '나의 의학적 선택'이라는 칼 럼을 게재해 이 같은 사실을 전했다. 안젤리나 졸리는 글을 통 해 자신이 유전적으로 유방암을 일으키는 BRCA1 유전자를 가지 고 있다고 밝혔다. 안젤리나 졸리는 BRCA1유전자로 인한 유방암 과 난소암의 위험을 줄이기 위해 이 같은 결정을 내렸다. 안젤리 나 졸리는 글을 통해 "의사는 내가 유방암에 걸릴 확률이 87%, 난소암에 걸릴 확률이 50%라고 추정했다"며 "위험성을 최소화하 기 위해 양쪽 유방을 절제하는 것을 결정했다"고 밝혔다.

그는 "쉬운 결정은 아니었지만 수술로 유방암 발병 가능성은 87%에서 5%로 감소했고 아이들은 유방암으로 엄마를 잃을 것을 두려워할 필요가 없어졌다"고 전했다. 안젤리나 졸리는 지난 2005

년 '미스터 앤 미세스 스미스'를 통해 연인이 된 브래드 피트와 8년간 동거해오며 슬하에 여 섯 명의 자녀를 두고 있다.

암으로 인한 사망률 증가로 많은 사람들은 암 검사에 많은 시간과 비용을 투자하고 있으며 특히 가족력이 있는 사람들의 경우 암에 대한 두려움은 더욱 크다. 암은 한 달이라는 짧은 시간에도 갑자기 번지거나 다른 분위로 전이될 수 있다. 그러나 암 검사에 드는 비용과 시간을 생각한다면 한 달마다 암검사를 받는 일은 현 실적으로 매우 어려운 일이다. 하물며 의료 기술이 부족한 지역에서는 더더욱 암 검진을 받는다는 것은 쉽지 않은 일일 것이다. 하지만 나노 과학을 이용한 암 검진법이 실용화된다면 매일 소변검사를 하는 것처럼 매우 쉽게 암을 검진할 수 있고 그에 적당한 치료를 받을 수 있을 것이다. 이러한 첨단 기술의 혜택을 모든 사람 이 평등하게 나누어 가지려면 어떤 방법이 필요할까?

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활동1 암은 어떻게 진단할까?

우리나라 국민이 많이 발생하는 암과 그것의 진단법에 관련된 글이다. 글을 읽고 물음에 답해보자.

* 다양한 암을 검사하는 방법

① 소변검사-소변에서 단백질이 검출되거나 혈액이 검출되는지를 확인하여 질병을 알아낸다.

그러나 이 검사법은 검사 받는 사람의 여러 요인에 의해 잘못된 결과를 자주 보인다. 즉, 이상이 없더라도 질병이 없다고 단정할 수 없고 환자에 따라서 질환 초기에는 이상이 없 다고 나타날 수 있으며 하루에도 다른 결과가 나타날 수 있다.

② 혈액검사- 혈액검사는 다양한 질병을 예측할 수 있다. 염증, 간의 기능, 갑상선질환, 영양 상태 등을 파악할 수 있다. 혈액 검사로 갑상선 호르몬의 이상 유무를 진단할 수 있으나 갑상선에 혹이 생긴 경우 갑상선호르몬의 분비에는 별 다른 이상이 없는 경우가 대부분이 다.

③ 세포검사 – 조직이나 장기로부터 세포를 얻어내어 확인하는 방법, 예전에는 침이나 가래 를 이용하여 검사하였으나 과학이 발달하면서 떨어져 나온 세포를 이용한다. 자궁경부암 같은 경우는 자궁 내막의 탈락된 세포를 채취하여 암검사를 실시하는데 이 방법을 이용 하면서 선진국에서는 자궁경부암 발생율이 현저하게 감소하였다. 솔 등을 이용하기도 하 고 검사하고자 하는 부위에 따라 주사를 이용하기도 한다. 이때 침으로 하는 검사를 세침 흡인세포검사라고 부르는데 간단하게 말해 이상이 생긴 부위에 직접 바늘을 이용하여 세 포를 빨아들여 현미경을 이용해 검사하는 방법이다. 방법이 경제적이고 다양한 부위에 적 용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이 검사법은 누가 시행하고 판독하느냐에 따라 진단 율의 차이가 크다.

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④ 조직검사 – 인체 조직을 떼어내어 현미경 관찰을 통해 질환명이 결정된다. 어떤 검사 도 구를 쓰느냐에 따라 침으로 길고 가늘게 뽑는 침생검병리조직검사, 전신마취를 통해 장기를 들어내는 수술병리조직검사, 피부를 조금 절개하고 펀치로 잘라내는 피부펀치검사, 공기가 통 하는 입, 항문 콧구멍 등 인체입구에 카메라가 달린 기구를 넣고 해당 부위를 오려내는 내시 경병리조직검사 이다. 병리조직검사를 위해 전신마취 혹은 국소마취로 조직을 떼어낼 때 감 염 또는 출혈, 마취합병증 등의 부작용이나 합병증이 생길 수 있다.

자료 및 사진 출처: 국가 암정보센터

각 검사의 장단점은 무엇일까?

장점 단점

소변검사 가장 간단하고 저렴하다. 피검자의 여러 요인에 의해 잘못된 결과가 나타날 수 있다.

혈액검사 다양한 질병 예측 가능 부위가 어디인지, 갑상선 암을 찾을 수 없다.

세포검사 경제적이고 다양한 부위에 적용할 수 있다는 장점이 있다.

누가 시행하고 판독하느냐에 따라 진단율의 차이가 크다.

조직검사 검사 방법 중 가장 정확하다. 감염 또는 출혈, 마취합병증 등의 부 작용이나 합병증이 생길 수 있다